Как эмбриональные стволовые клетки вызвали революцию

После 20 лет надежды, споров и разногласий — человеческие эмбриональные стволовые клетки изменили биологические концепции и начали поступать в клиники.

Нервные розетки, полученные из эмбриональных стволовых клеток человека

Дитер Эгли как раз собирался поступить в аспирантуру, когда исследователи впервые (в 1998 году) разработали способ получения эмбриональных стволовых клеток человека. С тех пор два десятилетия эти клетки стали неотъемлемой частью его карьеры. Биолог, в настоящее время работающий в Колумбийском университете в Нью-Йорке, использовал их, чтобы перепрограммировать ДНК из взрослых клеток в эмбриональное состояние, и решает вопросы лечения диабета. Он также разработал совершенно новую форму эмбриональных стволовых клеток человека, которая может делать разные человеческие гены.

Благодаря его обширным исследованиям, он стал лидером в области эмбриональной биологии стволовых клеток. Эта область испытывает трудности из-за ограниченного финансирования и энтузиазма конкурирующих технологий, которые не несут подобного этического багажа. Тем не менее,   эмбриональные стволовые клетки человека сейчас более актуальны, чем когда-либо. «Я очень взволнован…», — говорит Эгли. «Эмбриональные стволовые клетки приведут к беспрецедентным открытиям, которые преобразят жизнь. Я не сомневаюсь в этом».

Один орган за раз

Эмбриональные стволовые (ES) клетки предоставляют беспрецедентную информацию о раннем развитии. Подобно астрономам, обращающимся к Большому взрыву за фундаментальным пониманием Вселенной, биологи разбираются с молекулами внутри сущностей с помощью ES, чтобы понять, как одна оригинальная клетка превращается в триллионы клеток, имеющих головокружительный набор форм и функций.

Ученые научились превращать клетки в десятки зрелых типов клеток, представляющих различные ткани и органы в организме. Они используются для тестирования лекарств, для моделирования болезней и, все чаще, для терапии. Начиная с  исправления поврежденного спинного мозга в 2010 году, было проведено более десятка клинических испытаний клеток, созданных из клеток ES — для лечения болезни Паркинсона, диабета и других состояний. Долгожданный отчет на этой неделе показывает улучшение зрения у двух людей с возрастной дегенерацией желтого пятна — заболеванием, которое разрушает остроту зрения.

«В некотором смысле, это не удивительно — 20 лет назад мы ожидали этого. Но я все еще удивлен, что это становится реальностью».

В 1981 году исследователям удалось культивировать стволовые клетки эмбрионов мыши. Но этот трюк был нелегким для приматов. Биологу Джеймсу Томсону из Университета Висконсин-Мэдисон понадобилось 14 лет, чтобы достичь подобного результата у обезьян.

Три года спустя, используя донорские эмбрионы, которые не использовались для лечения бесплодия, Томсон снова удивил мир, создав первую в мире линию человеческих ES-клеток.

Открытие вызвало этический огненный шторм. Критики (в основном из религиозных кругов) утверждали, что эмбрионы представляют собой людей, и хотели предотвратить любые исследования, связанные с уничтожением эмбрионов. В 2001 году президент США Джордж Буш ограничил государственное финансирование исследований существующих линий ES-клеток. Это решение фактически вынудило тех, кто намерен проводить исследования в Соединенных Штатах, искать частное или государственное финансирование и  создавать дублирующие лаборатории  для исследований ES-клеток. В других странах, включая Германию и Италию, эти исследования были полностью запрещены.

Тем не менее, исследователи продвинулись вперед, где могли: в Австралии, Сингапуре, Израиле, Канаде… В частности, они вскоре сообщили, что превратили эмбриональные стволовые клетки в нейроны, иммунные клетки и так далее.

Исследователи также обсудили планы получения стволовых клеток из эмбрионов с помощью процесса, называемого переносом ядер соматических клеток — того же метода, который используется для создания клонированных животных,  при котором ядро ​​из взрослой донорской клетки переносится в яйцеклетку человека, у которого было удалено ядро. Основанием для этого «терапевтического клонирования» было создание безграничного источника динамических клеток с той же ДНК, что и у донора клеток. Они заговорили об изучении сложных генетических заболеваний и замене неисправных органов и тканей так же, как механик меняет автомобильные детали. К 2013 году команда, возглавляемая Шухратом Миталиповым, исследователем стволовых клеток в Университете здравоохранения и науки Орегона в Портленде, наконец преуспели в этом.

Однако в течение первых 15 лет многие исследования ES-клеток фокусировались на использовании клеток для понимания плюрипотентности — удивительной способности становиться клетками любого типа. Постепенно ученые собирают вместе молекулярные пути, которые делают это возможным. «Мы узнали плюрипотентность клеток ES», — говорит Миталипов.

Такие исследования способствовали самой большой инновации в области регенеративной медицины и биологических исследований в 2000-х: открытие индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток. В 2006 году биолог Шинья Яманака из японского университета Киото разработал способ возвращения клеток взрослых  в эмбрионально-подобное состояние с использованием всего лишь четырех генетических факторов. Он и Томсон достигли того же уровня в человеческих клетках. Теоретически этот процесс принес такую ​​же потенциальную отдачу, что и терапевтическое клонирование — неограниченный запас плюрипотентных клеток, генетически подобранных к пациенту, но без этических затруднений.

Многие предсказывали, что iPS-клетки скоро вытеснят эмбриональные стволовые клетки в исследовательском пространстве, но этого не произошло. Количество публикаций  по ES-клеткам быстро росло после 2006 года и продолжало расти с 2012 года.  ES-клетки стали золотым стандартом, с которым исследователи могли сравнивать iPS-клетки. И даже сегодня есть сомневающиеся в безопасности использования ячеек iPS. Чжоу Ци, биолог стволовых клеток из Института зоологии Китайской академии наук в Пекине, говорит, что опасения, будто клетки iPS могут вызывать опухоли, побудили его использовать клетки ES для более чем дюжины клинических испытаний.

С ES-клетками легче работать. Изначально их получение было сложным процессом: вырвать человека из культуры и вырастить его в новое население занимает менее 1% времени.   Например, в 2007 году Йошики Сасай из Центра биологии развития RIKEN в Кобе, Япония, обнаружил молекулу, называемую ингибитором ROCK, которая может препятствовать гибели ES-клеток при удалении из колоний, в которых они процветали. Показатель успешности создания новых колоний снижен до 27%. «Это в корне изменило то, что вы могли ранее сделать», — говорит клеточный биолог Малин Пармар из Лундского университета в Швеции. Пармар, который использует клетки ES для получения нейронов для клинического испытания болезни Паркинсона, говорит, что такие технические достижения открыли «новый золотой век» для исследований ES-клеток.

Клетки теперь могут быть получены быстро, надежно и бесконечно. И все же они так или иначе избегают превращаться в рак, как некоторые того боялись. «Мы до сих пор не знаем, почему или как» они поддерживают это равновесие, говорит Хиромитсу Накаучи, биолог из стволовых клеток Токийского университета, который пытается производить неограниченные запасы тромбоцитов из клеток ES и iPS.

Исследователи также начали выращивать органы. При правильных сигнальных молекулах и трехмерной среде, ES-клетки организуются в сложные ткани, известные как органоиды. Эта способность важна для исследователей, таких как Джеймс Уэллс из детской больницы Цинциннати.
В 2004 году, например, врачи, специализирующиеся на фертильности в Чикаго, начали создавать линии ES-клеток из эмбрионов, созданных путем экстракорпорального оплодотворения, у которых был обнаружен генетический дефект, и поэтому они были отклонены для лечения бесплодия. Это позволило команде создать клеточные модели талассемии, болезни Хантингтона, синдрома Марфана, мышечной дистрофии и других генетических состояний. В 2007 году исследователи использовали клетки ES для определения молекулярных изменений, которые приводят к когнитивным нарушениям, наблюдаемым в наследственном состоянии, известном как синдром хрупкости X.

Исследователи говорят, что iPS клетки обещают еще больше для исследований, а именно — способность выращивать стволовые клетки у любого живого человека с подозрением на генетическое состояние. Но многие исследователи все еще видят большой потенциал для ES-клеток в этой области. Некоторые условия вызывают повреждение взрослых клеток, что делает любые клетки iPS, полученные из них, неинформативными. И ES-клетки по-прежнему играют вспомогательную роль.

В 2008 году Кевин Эгган из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, произвел линии клеток iPS от людей с нейродегенеративным заболеванием, боковым амиотрофическим склерозом. Из предыдущей работы с ES-клетками Эгган знал, как заставить плюрипотентные клетки превращаться в двигательные нейроны, клетки мозга, пораженные болезнью. Когда он сделал то же самое с клетками iPS, полученными от пациентов, он смог быстро сравнить два типа клеток. Клетки от пациентов срабатывали гораздо чаще, чем их коллеги от людей без заболевания. «Мы использовали всю работу, которую проделали с ES-клетками, чтобы понять моторные нейроны». Теперь противосудорожное лекарство, которое успокаивает iPS-клетки, полученные от пациентов, испытывается на людях. Результаты ожидаются в ближайшие два месяца.

Эгли и Ниссим Бенвенисты из Еврейского университета в Иерусалиме опровергли давние представления о биологии человека, когда они получили линии ES-клеток только с половиной нормального числа хромосом. Исследователи теперь начинают использовать инструменты редактирования генов на этих «гаплоидных» клетках ES, чтобы понять, как гены функционируют в процессе развития. По словам Эгли, поскольку у них есть только один набор генов, о которых нужно беспокоиться, клетки могут дать гораздо более простые результаты.

Дугласу Мелтону в Гарвардском институте стволовых клеток в Кембридже потребовалось 15 лет, чтобы превратить ES клетки в функциональные β-клетки — клетки поджелудочной железы, которые могут ощущать глюкозу и вырабатывать инсулин. Тогда он не мог найти никакой разницы между клетками поджелудочной железы, полученными из нормальных клеток ES и клеток iPS от людей с диабетом 1 или 2 типа. «Мы знаем, что существует генетическая предрасположенность, но это не значит, что вы можете увидеть ее в пробирке», — говорит он.

У Мелтона все еще есть планы относительно β-клеток, которые он сделал из клеток ES. Он надеется пересадить их людям с диабетом 1 типа, чтобы положить конец или, по крайней мере, уменьшить их зависимость от инъекций инсулина. Последнее препятствие в работе — введение клеток, чтобы они не были разрушены иммунной системой. Semma Therapeutics, компания, основанная Мелтоном в Кембридже, стремится сделать это, заключив клетки в мешочек, который будет пропускать и выводить питательные вещества, но блокирует доступ к иммунным клеткам. Он рассчитывает начать клинические испытания в течение трех лет. Компания ViaCyte в Сан-Диего, штат Калифорния, приостановила регистрацию на клиническое испытание, которое было начато в 2014 году с целью перепроектирования технологии инкапсуляции. В прошлом году было начато отдельное клиническое исследование с использованием модифицированного механизма доставки. А другие компании, такие как Novo Nordisk в Дании, запускают программы для лечения диабета с использованием клеток, полученных из клеток ES. В клинической сфере многие предполагали, что iPS-клетки в конечном итоге победят ES-клетки. Одним из потенциальных преимуществ является то, что они могут продуцировать клетки и ткани с той же ДНК, что и пациент, и, таким образом, не вызывать иммунную реакцию при трансплантации. Но для большинства генетических заболеваний, включая диабет 1 типа, клетки iPS, созданные от пациента, будут содержать мутацию, которая вызывает проблему, и клетки должны быть модифицированы, чтобы обеспечить какую-либо терапевтическую пользу.

Тогда есть вопрос стоимости. По словам Жанны Лоринг, биолога из стволовых клеток в Исследовательском институте Скриппса в Ла-Холья, Калифорния, подготовка одной линии iPS-клеток для клинического использования обойдется примерно в 1 миллион долларов США. В настоящее время это недопустимо, если цель состоит в том, чтобы использовать собственные клетки пациента, но Лоринг ожидает, что цена снизится, и работает над созданием клеток iPS для лечения болезни Паркинсона.

До сих пор исследователи инициировали только одно испытание на людях с использованием клеток, полученных из клеток iPS. Во главе с офтальмологом Масайо Такахаши из Центра биологии развития RIKEN, он направлен на лечение макулярной дегенерации, но был остановлен в 2014 году, когда исследователи решили упростить процедуру и использовать стволовые клетки, полученные не от пациентов, а от доноров. Он  столкнулся с другим препятствием в январе, когда в глазу участника возникла мембрана, которую пришлось удалять хирургическим путем.

Дегенерация желтого пятна была популярной целью для ES-клеточной терапии. Было проведено как минимум шесть клинических испытаний в США, Великобритании, Южной Корее, Китае и Израиле. 19 марта исследователи во главе с офтальмологом Питом Коффи, директором Лондонского проекта по лечению слепоты и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, сообщили о результатах исследования по имплантации участка клеток, сделанных из клеток ES, в поврежденные сетчатки двух individuals. Через год после процедуры участники восстановили способность читать.

Алан Марморштейн, офтальмолог клиники Майо в Рочестере, штат Миннесота, называет это «большим шагом вперед». «Это первый сильный признак эффективности и, безусловно, он поддерживает дальнейшие исследования в других частях тела людей», — говорит Коффи. Прорыв наконец наступает, потому что ученые сейчас разрабатывают, как лучше всего поместить клетки в людей. «Десять лет назад мы подумали: «Нам просто нужно поместить клетки, и клетки будут знать, что делать». Это неправда — их нужно контролировать соответствующим образом». Многие в области стволовых клеток делают ставку на то, что следующий крупный клинический прорыв для клеток ES произойдет в болезни Паркинсона. Расстройство вызвано потерей нейротрансмиттера дофамина, и полдюжины компаний и клиник готовятся использовать клетки ES или iPS для замены нейронов, продуцирующих дофамин.

Один из важнейших вопросов: как далеко плюрипотентные клетки способны пройти путь к зрелости, прежде чем их пересадить. Австралийское исследование началось в 2016 году, а китайское исследование началось в 2017 году с использованием незрелых клеток-предшественников, которые не продуцируют дофамин. Исследователи говорят, что незрелость клеток поможет им пережить трансплантацию и интегрироваться в мозг их нового хозяина. Но лидеры группы исследований ES- и iPS-клеток, известных под общим названием GForce-PD, говорят, что более зрелые клетки, которые они используют, более надежно превращаются в желаемый тип клеток, продуцирующих дофамин, и с меньшей вероятностью выйдут из-под контроля.

Исследования ES-клеток еще могут развиваться, если они преодолеют некоторые препятствия. Одна проблема заключается в том, что многие типы клеток сложно производить. По оценкам Мелтона, только около десяти типов клеток, созданных к настоящему времени, являются действительно функциональными эквивалентами нормальных клеток человека. А некоторые из наиболее перспективных видов применения, такие как яйца и сперма, как ожидается, останутся проблемой в обозримом будущем.

Поле также сталкивается с неопределенностью в отношении финансирования. Ученые часто слышат о том, что президент США Дональд Трамп может наложить новые ограничения на федеральное финансирование исследований в области ES-клеток. Но, несмотря на свою порой нелегкую историю, ES-клетки неоднократно доказывали свою ценность, и, как говорят многие исследователи, в некоторых непредсказуемых случаях, они даже сократили использование моделей животных, потому что ES-клетки обеспечивают лучший путь к изучению болезней человека.

Яманака говорит, что клетки ES были мотивом для его собственной работы над клетками iPS. И именно рецепт Томсона для человеческих ES-клеток позволил перейти от мышиных к человеческим iPS-клеткам всего за один год, после того как потребовалось почти два десятилетия, чтобы перейти от мышиных ES-клеток к человеческому разнообразию.